책의 목차를 보면 알 수 있듯이,.. 그다지 특별한 건 없다ㅎㅎ
대부분 다른 책에서도 많이 다룬 그런 내용들...
주로 화학자의 입장에서 글이 쓰였는데..... 그래서 다른 쪽 입장에 대한 설명은 거의 없었던 것 같.....(기도 한데,.. 정확히 기억은 안나네ㅠ
나에겐 다소 어렵게 느껴지는 책이라 아직 많이 읽지는 못했다ㅠ
시간을 갖고 천천히 조금씩 읽어봐야지.... 후...
 

이제 누구나 아는 지구의 남은 5억 년의 역사 이야기, 그리고 창조론과 진화론의 공진화를 바라며...

  Pangaea Animation을 유튜브에서 검색하면 온 세계가 하나의 무대였다는 말이 실감 납니다. 대기 중 산소 농도가 급상승하자, 성층권의 오존층도 급격히 두꺼워지면서 이 복사 장벽이 치명적인 태양 자외선으로부터 지구의 고체 표면을 효과적으로 가려줍니다. 그런 든든한 덮개는 식물들이 단단히 뿌리를 내리고 동물이 자유로이 배회하는, 생육 가능한 육상 생물권이 탄생하는 데에 필수적인 전주곡이었습니다. 이상하게도, 동물들은 1억 년이 더 지나서야 완전히 육지로 기어올랐습니다.

  지구사를 통틀어 지상에 가장 극적인 변형이 일어나려면 육상식물이 등장할 때까지 기다려야 했습니다. 3억 년 전 무렵에는 지구에 숲이 번성하고 있었습니다. 실제로 잎사귀 달린 생물량이 얼마나 많이 생산되는 동시에 묻히고 있었던지, 죽은 식물들의 두꺼운 덩어리가 가압 조리되어 새로운 유형의 암석-고탄소의 검은 석탄-이 형성되기 시작했습니다(여기서 석탄기라는 이름이 나왔죠). 이렇게 유기탄소가 격리된 결과 가운데 하나가, 앞서 신원생대의 산소급증사건에서처럼 다량의 산소가 단시간에 다시 대기 중으로 유입되는 것이었습니다. 산소의 증가는 동물에게 유익한 결과를 가져왔습니다. 더 많은 산소는 더 많은 에너지를 의미했으므로, 동물의 대사율이 높아졌습니다.

  지구가 존재한 기간의 99.9%가 넘는 날들 동안, 인간은 코빼기도 보이지 않았습니다. 그러나 실로, 지구사의 최근 5억 년은 생명과 암석 사이에 가장 놀라운 상호 작용이 있었던 때입니다. 이 공진화는 과학기술이 진보한 인간의 시대에도 끈질기게 계속됩니다. 무한히 긴 시간 전에 암석, 물, 공기가 생명을 만들었고, 생명은 차례로 대기를 안전하게 흡입할 수 있도록 만들었고, 육지를 풀빛으로, 또 안전하게 돌아다닐 수 있도록 만들었습니다. 생명은 암석을 토양으로 바꾸었고, 토양은 차례로 더 많은 생명을 양육해 끊임없이 진용을 넓혀가는 식물군과 동물군의 집이 되었습니다. 지구사 내내 공기, 바다, 육지, 그리고 생명의 형체를 빚어온 것은 지구의 변형력이었습니다.

  간혹 목사님들이 창조론을 믿는 근거로, 진화론은 하나의 이론일 뿐이라고 말씀들을 합니다. 그 주장을 그대로 뒤집어 목사님들도 창조론 역시 하나의 이론일 뿐이라는 것을 인정하시면 좋겠습니다. 그래야 창조론(성경 속의 내용을 문자 그대로 믿는 창조론을 말합니다) 만이 옳은 이론이 아니라는 것을 인정할 수 있는 포용력이 생기니까요. 단지 창조론을 어떤 근거 없이도 믿는다는 신념을 가진 사람이 하나님을 믿는 사람이라고 저는 믿습니다. 그 근거가 굳이 과학적일 필요도 없다고 역시 믿습니다. 노아가 쌍쌍이 모든 동물을 다 태웠다는 방주를 찾았다며 호들갑을 떠는 창조과학론자들의 그 방주란 것이 길이가 그리 크지 않았다는 것을 압니다. 노아가 온 세상의 동물을 보호하여 홍수가 그쳤을 때 다시 세상에 동물들이 새끼를 낳고 그래서 세상이 풍성해졌다는 이야기에 초점을 맞추면 창세기의 성경 자구 하나하나의 증명을 하느라 과학을 무시하는 우를 범하지 않을 것입니다. 뱀에게 다리가 있었다고 그것이 퇴화했다고 진화적인 설명을 하면 다리가 없어지는 중인 뱀을 보이라고 반박하는 우스운 꼴이 더 이상 없을 것입니다.

  과학은 스스로 가치를 가지지 않습니다. 과학은 옳은 것도 나쁜 것도 없을 것입니다. 그렇지만 과학이 사람의 문제에 개입이 되면 우리는 좋은 과학과 나쁜 과학을 구분하고 싶어 합니다. 사람들을 괴롭히는 과학, 사람을 불편하게 하는 도덕적이지 못한 과학적 연구 방법을 비난합니다. 과학이 증명해서 진화론이 있습니다. 과학적인 설명이 안 되는 성경의 창조론이라 일반인들이 믿지 않을 뿐입니다. 진화론을 증명하고, 창조론을 부정하는 그 과학에도 사람이 들어가면 우리는 진화론도 창조론도 다 가치가 있다는 것을 알 수 있습니다. 제가 창조론을 믿는 이유는 하나님이 우리를 사랑하신다는 표현으로 믿기에 그렇고, 또한 진화론을 믿는 것은 하나님이 창조한 세계를 이해할 수 있기에 그렇습니다.

  간혹 꿈을 꿉니다.

노아가 모든 생물의 DNA(RNA가 산소를 떼서 저장한 창고라지요?)를 방주에 싣는 꿈입니다. 하나님이 빅뱅을 명령하는 것도 있습니다. 하나님이 창조하신 것은 단 하루면 되었을 것입니다. 흑암에 깊이 있던 부피도 시간도 없고 비울 것도 없던 그 우주에게 “팽창하라” 명령은 단 하루만에 끝났고, 그 후 우주는 하나님의 뜻에 따라 진화하였습니다. 세상은 하나님의 뜻에 따라 자율로 용기로 우연과 함께 운명이, 그리고 행운으로 가득 찬 변화를 시작합니다. 이게 어찌 창조주의 뜻이 아닐 수 있습니까? 창조론도 진화론도 서로 다툴 필요가 없어집니다. 종교는 과학과 서로 선의의 경쟁을 하면서 인간 세상, 우리 지구에 도움을 줄 수 있어야 한다고 저는 60넘은 아직도 믿습니다.

 그래서 저는 이렇게 말합니다.

오 마이 사이언스!

오 마이 갓!

눈덩이 지구와 온실 지구의 순환 : 하얀 지구

  7억 5천만 년 전 지구의 기후는 전무후무하게 불안정한 기간으로 들어섭니다. 떠오른 모형은 이렇습니다.

차례로 하위 고리를 내포하는 수많은 양성 되먹임 고리 각각이 지구를 점점 더 차가운 상태로 몰아간다는 발상을 기초로 합니다. 되먹임 고리 하나는 대륙의 풍화에 기댑니다. 풍화 과정이 고온다습한 열대에서 가속되면서, 점점 더 많은 이산화탄소를 공기에서 끌어당깁니다. 엄청나게 증식한 광합성 조류가 공기에서 더 많은 이산화탄소를 수거하면서, 되먹임 고리 또 하나가 추가됩니다. 한편, 지구 대기의 온실 효과가 약해지고 기후가 차가워지면서, 극지에서는 빙모가 형성되어 성장하기 시작합니다. 이 신선한 하얀 얼음과 눈은 더 많은 햇빛을 우주 공간으로 반사했고, 이 양성 되먹임은 지구를 전보다 더 급속히 냉각시킵니다. 동시에 빙상은 점점 더 낮은 위도로 퍼졌고, 아직 따뜻하던 적도의 대륙과 비옥한 조류 생태계는 계속해서 점점 더 많은 이산화탄소를 공중에서 끌어당깁니다. 일시적으로 균형이 깨진 지구 기후가 정점에 도달하자, 하얀 얼음이 양 극지에서부터 적도를 향해 연장되다가 마침내 지구 전체를 둘러쌌을 것입니다. 폴 호프만과 동료들이 부추긴 이 각본의 극단적인 ‘단단한 눈덩이’ 판본에서는 지구의 평균 온도가 섭씨 -46도로 뚝 떨어지면서, 두께 1.5Km에 달하는 얼음 망토가 지구를 둘러쌌습니다. 수백만 년 동안 지구는 얼음 안에 담겨 있었습니다.

  지구가 어떻게 그토록 길고 차가웠던 총체적 겨울에서 생기를 되찾을 수 있었을까? 답은 우리 행성의 훨씬 더 깊은 곳에서 일어나는 거침없는 휘젓기에 있습니다. 얼음과 눈의 박판으로는 판 지구조운동을 멈출 수도 없었고, 얼음을 뚫고 솟아오른 수백 개의 검은 화산추가 끊임없이 내뿜는 화산가스를 막을 수도 없었습니다. 주된 화산가스인 이산화탄소가 다시 한번 대기 안에 축적되기 시작했고 육지가 얼음을 덧입었고 마침 암석의 풍화가 이산화탄소를 치웠으므로, 광합성은 거의 멈추어 있었습니다. 이산화탄소 농도가 점차 높아져서 마침내 아마도 현대 수준의 수 백배에 달하면서 새로운 양성 되먹임, 다시 말해 폭주하는 온실효과를 유발했을 것입니다. 햇빛은 여전히 순백의 풍경을 때리고 산란되었지만, 튕겨 나온 그 복사 에너지가 대기 중의 이산화탄소에 맞고 곧바로 표면으로 돌아가 꼼짝없이 행성을 덥힌 것입니다. 대기가 훈훈해지자, 적도를 덮고 있던 작은 얼음 조각보가 수백만 년 만에 처음으로 녹아내렸고, 거무스름한 육지가 노출되자, 더 많은 햇빛을 흡수하면서 온난화가 점점 더 빨라졌습니다. 태양과 표면 사이의 양성 되먹임 덕분에 지구가 점점 더 따뜻해지자, 대양도 하얀 덮개를 거두기 시작했습니다. 다시 한번 더 오 마이 사이언스입니다.

  오래도록, 아마도 3,000만 년쯤 따뜻한 기후가 이어졌지만, 온실은 스스로 죽게 되어 있습니다. 상승했던 대기 중 이산화탄소 농도가 극단을 벗어나 점차 떨어졌습니다. 온실기체 일부가 암석과 반응해 제거되었습니다. 벌거벗은 육지가 대기 중 이산화탄소의 농도가 높은 데에서 비롯된 부식성 탄산과 함께 내리 꽂히는 강우에 노출되어 급속히 풍화되었고, 흘러든 광물 영양소가 부활한 햇빛과 짝을 이루자 조류가 폭발적으로 번성해 온실 기체를 먹어치웁니다. 이 모든 사건이 순서대로 탄소 동위원소 기록에 보존되어 있습니다. 그 후로 1억 5,000만 년 동안, 지구는 이 양 극단 사이를 맴돌았고 최소한 세 번은 얼음이 뭉쳤다가 물러났고, 지구의 기후는 술에 취한 듯 극한에서 열대로 고꾸라졌다가 되돌아오기를 반복했습니다. 변화는 순환됩니다.

  지구의 과거에 우리 시대를 위한 교훈들이 담겨 있다면, 급변하는 신원생대 기후 이야기가 그 목록의 꼭대기에 등장해야 합니다. 눈덩이와 온실이 교대해가며 진화하는 생명체들을 위한 새로운 기회를 활짝 열어젖히는 바로 그 순간에, 기후가 뒤집힐 때마다 거의 모든 생물이 죽었기 때문입니다.(무슨 말인지 아시겠습니까? 우리 자꾸 이산화탄소 배출을 많이 하면 다 죽는다는 말인 것 같은데 정말 간결한 표현입니다)

 이때가 지구 나이 40억 살입니다.

광합성과 산소급증사건 : 붉은 지구

  지구 표면이 칙칙한 잿빛에서 붉은 벽돌빛으로 바뀐 것은 지질시대의 오후, 산소를 생산하는 광합성이란 혁신이 일어나 그 결과 산소를 공급하는 대기가 생겨났을 때였습니다. 미끈거리는 녹조류가 정확히 언제, 얼마나 빨리 진화해 산소급증사건이라 불리는 변화를 촉발했는지는 입증하기 어렵습니다.

  산소급증사건을 뒷받침하는 증거는 암석과 광물을 관찰한 결과에서 나오며, 점점 더 길어지는 증거 목록의 연대는 광범위한 한 덩어리 지구사-대략 35억 년 전부터 20억 년 전까지-로 거슬러 올라갑니다. 한편 25억 살이 넘은 많은 암석에 산소가 일으키는 부식 효과에 의해 쉽게 파괴되는 광물들이 들어 있다는 사실은, 그때 이전의 환경에는 산소가 없었음을 시사합니다. 산소급증사건의 결정적 증거는 뜻밖에도 흔한 원소인 황의 동위원소들에 관한 최근의 주목할 만한 자료에서 나왔답니다(책에서 확인하시기 바랍니다^^) 과학자들이 오존 말고 자외선을 차단하는 다른 방법을 발견하지 못하는 한, 황 동위원소 자료는 산소급증사건의 시작을 약 24억 년 전으로 못박습니다(자외선 차단과 생명 유지는 관계있다는 것은 상식으로 압니다만 지금은 산소급증사건만 다루고 있습니다)

  산소급증사건으로 발생한 그 모든 산소는 다 어디에서 왔을까요? 바로 광합성입니다. 이산화탄소에 물(또는 전자를 제공할 수 있는 다른 어떤 화학물질)을 더해 당과 기타 생체분자를 만든다니 골자만 추린 화학반응만큼 단순하게 들릴지도 모르지만, 광합성의 세부사항은 엄청나게 복잡해서 지금도 여전히 알아내고 있는 중입니다. 지구사를 통틀어 온갖 세포들이 산소를 전혀 생산하지 않는 다른 광합성 경로들을 이용해왔습니다. 그 복잡한 광합성의 기원이 바로 생화학자 로버트 블랭큰십의 연구 주제였고 그는 생명체가 당혹스러울 만큼 다양한 광합성 전략을 고안해왔음을 발견했습니다. 적어도 다섯 가지의 다른 경로가 지구 진화사의 아득한 시점부터 이어져 왔다는 것입니다. 어쩌면 35억 년 이상 거슬러 올라갈 가장 오래되고 원시적인 반응들은 분명 산소를 전혀 생산하지 않았습니다. 그 초기 세포의 조상들은 오늘날까지도 살아남아 가장 뿌리 깊은 생화학은 혐기성임을, 산소를 요구하지도 않고 심지어 견디지도 못함을 예증합니다. 블랭큰십과 공동연구자들의 연구는 이 광범위한 각종 화학전략을 드러낼 뿐만 아니라, 미생물이 집광 유전자들을 뒤섞고 교환하면서 경쟁자들의 광합성 경로를 마치 산업계의 영업기밀 빼내듯이 끌어들이는 경향을 보여주기도 합니다. 실제로 사실상 모든 식물이 사용하는 현대의 광합성 도식은 더 원시적인 두 가지 도식의 조합처럼 보입니다. 우리와 동시대를 사는 유기체들이 훨씬 더 효율적으로 햇빛을 채집하고 사용할 수 있다는 말입니다. 산소를 생산하는 모든 기제 가운데 광합성이 챔피언이라는 데에는 논쟁의 여지가 없습니다(광합성이 없어도 지구 표면은 수소 분자들이 우주공간으로 서서히 사라지는 과정을 통해 여유있지만 시시한 산소 증가를 경험했을 것입니다)

 산소가 급증한 정확한 시점이 언제였든, 지구는 25억 번째 생일을 앞두고 표면이 다시 한번 바뀌었습니다. 최초의 극적인 변화는 육상에서 일어납니다. 지구가 녹슨 것입니다. 우주에서 바라본 20억 년 전 지구의 대륙은 붉어서, 파란 대양과 소용돌이치는 흰 구름이 함께해서 극적으로 화려한 대비를 이루었을 것입니다.

  녹은 많은 심원한 광물학적 변화들 가운데 가장 알기 쉬운 것일 뿐이었습니다. 우리가 최근에 수행한 화학적 모형화 작업은 산소급증사건이 길을 닦아준 광물이 3,000종에 달함을 시사합니다. 우라늄, 니켈, 구리, 망간, 수은의 수백 가지 새로운 화합물이 생명체가 산소를 생산하는 묘기를 배운 뒤에야 비로소 생겨났습니다. 놀랍게도 이 새로운 광물들 가운데 일부가 진화하는 생명체에게 새로운 환경의 생태적 지위와 새로운 화학에너지원을 제공했으므로, 생명체가 계속해서 암석 및 광물과 공진화해온 것입니다.

  마법처럼 변화를 일으키는 원소인 산소가 이 기나긴 역사에서 주역을 맡습니다. 전자에 굶주린 산소 원자는 모든 양태의 광물과 격렬하게 반응해 암석을 풍화시켜버리고 그 과정에서 영양분이 풍부한 토양을 형성합니다. 대기 중 산소 농도가 20억 년 이전에 처음으로 상당한 수준까지 높아졌을 때는 광합성을 하는 모든 생명 형태가 대양에서 살고 있었습니다. 당시 육지는 생명에게 절대적 불모지였지만 생명체가 전 지구에 걸쳐 궁극적으로 확장할 수 있도록, 산소가 길을 열어주었습니다. 지구의 유한한 원자들은 공기, 바다, 육지와 그것의 살아 있는 형태 모두의 사이에서 재활용되고 있습니다. 오 마이 사이언스입니다.

  잠시 지구 나이 27억 살에서 37억 살까지는 건너뛰겠습니다. 왜요? 책을 참조하시기 바랍니다. 진화의 역사가 건너뛰기가 가능하지 않다고 믿지만 그래도 건너뜁니다.

살아 있는 지구 : 생명의 기원

 오로지 지구만 살아 있는 행성이 되었습니다. 생물권이 생겨나고 진화했다는 점에서, 지구는 알려진 다른 모든 행성 및 위성과 구별됩니다. 무생물 행성이든 지구가 어떻게 대사와 유전의 얽히고설킨 특성들을 발명했을까? 주기율표에서 가장 다재다능한 원소인 탄소가 주역을 맡았다는 점. 그만큼 분자 설계가 풍부하거나 그토록 분자 기능이 다양한 원소는 달리 없다는 점에 대해서는 모든 사람이 동의합니다. 다재다능한 탄소를 기반으로 하는 분자들만이 생명을 정의하는 쌍둥이 특성인 번식 능력과 진화 능력을 공유하는 것으로 보입니다.

  생명의 기원을 연구하는 과학자들은 자기 개인의 과학적 전공이 부각되는 모형에 끌립니다. 유기화학자는 유기화학에 속한 문제라고 보았고, 지구화학자들은 온도, 압력, 화학적으로 복잡한 암석 같은 변수를 끌어들이는 더 뒤얽힌 기원 각본에 초점을 맞추는 경향입니다. 막을 형성하는 지질 분자를 연구하는 전문가들은 지질 세계를 홍보하는 반면, DNA와 RNA를 연구하는 분자생물학자들은 ‘RNA세계'가 기원 게임에서 승리할 모형이라 생각합니다. 광물을 교육받은 저자로서 짐작이 되지만 저자 말고도 많은 기원 연구자들이 저자와 같은 결론에 정착했습니다. 두세 명 이상의 저명한 생물학자들도 저절로 광물에 끌려왔습니다. 대양과 대기만 포함하는 생명의 기원 각본은 분자를 선별하고 농축시키는 효율적 기제를 설명하는 데에는 극복할 수 없는 문제들과 맞닥뜨리기 때문입니다. 단단한 광물들은 분자를 선별, 농축, 조직할 수 있는 비할 데 없는 잠재력을 지니고 있습니다.

  최초의 어설픈 미생물들은 거의 흔적을 남기지 않았을 것이므로, 생명이 언제 시작되었다고 확실히 말할 수는 없습니다. 약 35억 년 전에 얕은 대양 환경에 놓여 있던 지구에서 가장 오래된 퇴적암들 중 소수에는 오해의 여지가 없는 미생물 화석이 담겨 있습니다. 하지만 논쟁의 여지가 없는 그보다 더 오래된 화석은 발견된 적이 없습니다. 38억 5천만 살이나 먹은 심하게 변질된 암석에서 얻어진 탄소와 기타 생체 원소의 지구화학적 흔적은 사람을 감질나게 하지만, 그 흔적이 지질학계를 설득한 적은 한 번도 없었습니다.

  최초의 생명체가 44억 년 보다 더 이전에 출현했건 38억 년 전 이후에 출현했건, 그것이 지구의 고대 표면을 거의 바꾸지 않았다는 사실은 변치 않습니다. 화학반응은 우리 행성의 가장 초기부터 지금까지 행성의 고체 표면 또는 그 근처에서 일어났습니다. 그 이유는 바로 전자 분포 때문입니다. 지구의 멘틀은 지각보다 원자당 평균 전자수가 더 많습니다. 화학용어로 말하자면, 맨틀은 더 ‘환원되어’ 있고 표면은 더 ‘산화되어’ 있습니다. 환원된 화학물질과 산화된 화학물질이 만나면(마그마와 가스가 화산 분화를 통해 표면을 뚫고 나오면)이 물질들은 보통 에너지를 내보내는 화학반응을 겪는데, 그 과정에서 전자들이 멘틀에서 표면으로 전달되는 것입니다.

  생명체 출현 이전에는 산화환원 반응이 비교적 느긋한 속도로 진행되었지만 최초의 미생물들이 전자를 더 빠른 속도로 뒤섞는 법을 배웠고, 많은 곳에서 살아 있는 세포들이 이러한 반응의 중재자가 되었습니다. 미생물공동체들은 암석의 반응 속도를 높이는 것으로 생계를 꾸렸습니다. 즉 거기서 생기는 에너지를 써서 살아가고 성장하고 번식한 것입니다. 그 과정에서 생명체는 몹시 천천히 지구의 표면 환경을 바꾸기 시작했습니다. 미생물은 명왕이언과 시생이언 대양에 환원된 철 형태로 녹아 있어서 쉽게 구할 수 있었던 풍부한 에너지를 개발했습니다. 철을 산화시켜 붉게 녹슨 적철석을 형성한 것입니다. 이 화학적 변형은 전체 생태계를 부양하기에 충분한 에너지를 방출할 수 있었습니다. 따라서 호주, 남미와 기타 오래된 지대에서 발견되는 시생이언의 호상철광층(縞상은 명주실 모양이란 말로 길게 띠를 띤 모양을 말하는 것으로 보입니다)은 수천만 년 동안 지속한 웅장한 미생물 뷔페의 찌꺼기에 해당할 것입니다. 그렇게 해서 지권과 생물권의 놀라운 공진화가 시작되었습니다(이제 地圈과 생물권의 '공진화'라는 말이 처음 나옵니다)

  우리 행성이 10억 번째 생일을 맞이할 무렵, 생명은 이미 행성 표면에 비교적 하찮기는 해도 단단한 발판을 확립한 상태였습니다. 그 뒤로도 10억 년 동안 지구의 미생물은 처음엔 산화환원 반응 속도를 높여서, 다음엔 광합성을 통해 표면 근처 환경을 살짝 찔러만 볼 것이었습니다. 지구와 지구의 원시 미생물 개체군은 역사상 가장 극적으로 행성을 변형시킬 태세를 갖춘 것입니다.

최초의 암석, 그리고 검은 현무암

  45억 년 전 테이아 직후의 연옥에서 이야기를 시작합니다. 당시 지구와 달은 빛을 뿜는 규산염(규소-산소 결합을 가진 결정체를 통틀어 규산염이라고 불리고 지구에서 가장 흔한 광물로 알려진 종만 1,300종이 넘는다)증기로 이루어진 섭씨 5,500도의 대기를 공유하고 있었습니다. 그 지옥을 채우고 있던 기체 상태의 암석이 급속히 식어서 마침내 작은 방울들로 응축되어 새로운 쌍둥이 세계 위로 마그마 비를 내리자, 온도는 2,800도 아래로, 다음엔 2,200도로, 다음엔 1,600도로 거침없이 떨어집니다. 바로 그때 결정들이 최초로 형성되기 시작했습니다. 지구 최초의 암석 이야기는 실험암석학자들의 영역입니다.

  지구 최초의 지각은 감람암(6대 원소가 풍부한 용융물이 섭씨 1,500도 아래로 내려가면 규산마그네슘인 감람석 결정을 형성하면서 굳어집니다)이었지만 순식간에 지나가는 청소년기였고, 모태는 원시 마그마 대양이었습니다. 마침내 식어서 굳어진 순간, 감람암은 어디든 표면 근처에 남기에는 밀도가 너무 높다고 판명되어 지구 깊은 곳으로 다시 가라앉았습니다. 지구를 둘러싸려면 그보다 밀도가 낮은 다른 암석이 필요했습니다. 그게 바로 현무암입니다. 검은 현무암은 모든 지구형 행성 표면 근처에서 가장 두드러진 암석입니다. 수성의 외부도, 금성과 붉은 화성의 표명도, 달의 바다도 검은 현무암으로 이루어졌습니다.

  수억 년의 지구사에 걸쳐, 감람암이 부분적으로 녹으면서 수억 세제곱킬로미터의 현무암질 마그마를 생산했고 멀리 지하에서 발이 묶인 채 더 천천히 식어 1인치 선반 모양의 장석 및 휘석 결정을 형성하는데, 이 결정들을 포함한 암석을 휘록암 또는 반려암이라고 합니다.

  현무암 지각이 필연적으로 형성되자, 지구는 난생처음으로 둥둥 뜰 수 있으면서도 튼튼한 고체 표면을 누리게 된 것입니다. 젊은 지구에서 폭발적으로 방출되는 수증기와 온갖 휘발물질들이 많았지만, 생명을 유지하게 해주는 산소는 흔적도 찾을 수 없었습니다.

 가장 오래된 명왕이언부터 지금까지 살아남은 암석이나 광물은 거의 없다고 합니다(이런! 그럼 앞의 감람암, 현무암은?) 지구의 유아기인 탄생 후 5억 년 가량은 신비에 싸여 있습니다. 계속 이야기를 이어갑니다.

  검은 지구는 검은빛을 오래 유지할 수 없었습니다. 지구 규모의 화산활동이 뜨거운 질소, 이산화탄소, 유독한 황화합물, 수증기를 짙어가는 대기 속으로 하루에 수십억 톤의 속도로 토해냈습니다. 그러한 휘발성 원소와 화합물이 급속히 진화 중이던 지구에서 많은 역할을 했습니다.

대양(큰 바다)의 형성 : 파란 지구

  수증기, 물은 처음부터 늘 지구 이야기의 중심에 있었습니다. 우리가 확신할 수 있는 것들 중에서 일부분만 보겠습니다. 원시 지구가 존재한 처음 수백만 년 동안의 대기는 현대 세계의 대기보다 몇 곱절 더 짙었을 것입니다. 물이 액체 형태의 표면 위로 쏟아져 나와 최초의 암석들을 식히고, 수천만 년 안에 넓고 얕은 바다를 형성했을 것입니다. 그런 다음 대충돌이 그 모두를 날려버립니다. 힘겹게 표면에 도달한 거의 모든 분자가 우주공간으로 사라졌을 텐데, 거대한 재시동 단추를 누른 꼴입니다. 그다음 5억 년 동안에도 지름 100Km가 넘는 암석들이 더 작은 규모로 수십 번 충돌하면서 상상할 수 없는 혼란을 일으켰고 그때마다 대양의 상당 부분이 증발해 휘발물질 재고는 더욱더 줄어들었을 것입니다. 그럼에도 불구하고, 대충돌이 일어난 지 수백만 년 안에 수증기는 다시 원시 대기의 주성분이 되어 전 지구에 먹구름이 요동치는 폭풍우를 일으키고, 바람을 휘몰아대고, 번개를 내려치고, 줄기차게 비를 퍼붓고 있었습니다. 폭풍우가 몰아친 현무암 지각 표면이 식어 굳어지자, 낮은 곳에 있는 분지들이 점차 채워지면서 서서히 대양을 형성했고 그렇게 점점 넓어지는 바다는, 얇게 덮여 있던 표면의 물이 크고 작은 틈새로 스며들어 아래쪽의 뜨거운 암석과 접촉한 다음 으르렁대는 수증기와 과열된 물이 거대한 간헐천이 되어 표면으로 되돌아가는 과정에서, 한동안 온 지구를 사우나로 만들었습니다. 이렇듯 격렬한 물과 암석의 상호작용이 지각의 냉각을 재촉하는 구실을 하면서, 더 깊은 연못에게, 그다음엔 호수에게, 그다음엔 대양에게 길을 내준 것입니다. 이때 지구의 나이는 2억 살이었습니다.

최초의 화강암 지각 : 잿빛 지구

  지구 이야기는 분화의 무용담입니다. 원소들이 이합집산해 새로운 암석과 광물이 되고, 대륙과 바다가 되고, 궁극적으로 생명이 되는 파란만장한 이야기, 대륙의 부상도 지구를 분화하는 과정에서 또 하나의 중요한 단계였습니다. 그렇다면 초기 지구는 어떻게 화산들이 점점이 박힌 현무암 세계에서 잿빛 화강암 대륙들이 폭넓게 펼쳐진 행성으로 바뀌었을까요? 전문가들은 지구가 형성되던 무한히 긴 시간 동안 최대 지름 150Km의 큰 소행성-최초의 행성들이 형성되던 시기의 방황하던 잔재-수십 개가 지구와 충돌했음이 틀림없다고 추정합니다. 40억 년 전의 각본을 상상해봅시다. 젊은 대양지각 밑에서 뜨거운 마그마 상승기류가 올라옵니다. 수십 개는 되었을 상승류가 지구 깊은 곳에서 올라와 효율적인 대류 과정을 통해 내부의 열을 전달했음이 틀림없습니다. 모든 상승류 위쪽에서 거대한 화산들이 분화해 현무암질 용암을 토해냈고, 그 순간 다시 녹은 현무암 지각이 화강암 성분을 생성해 육지를 두껍게 만듭니다. 그런 다음 재난이 옵니다. 지름 45Km의 소행성이 밀집한 화산들을 강타해 반지름 450Km 이내의 모든 육지를 흔적도 없이 뿌리 뽑습니다. 이 우주적 만행에 가로막힌 맨틀 상승류는 표면으로 가는 새로운 경로를 찾습니다. 이 기발한 각본에 따르면, 충돌 이후의 상승류는 경로를 바꾸어 현무암질 뿌리와 성장 중인 화강암 박판과 함께 소형 대륙을 밑에서 찍어 올립니다. 일단 상승류가 열을 가두어 두꺼운 현무암 뚜껑 밑에 자리 잡으면, 이 새로운 열원이 일정 간격으로 새로운 화강암을 잔뜩 생산해 육지를 확장하고 두껍게 합니다.

  이 검증할 수 없는 이야기는 아마 가장 초기의 지구에 대륙이 형성되던 과정의 일부일 겁니다. 소행성 충돌에 의해 보강된 수직 지구조운동이 10억 년 동안, 현무암과 화강암이 섞인 중심부를 지닌 대양의 화산섬들의 목록을 끊임없이 늘려갔을 것입니다. 육지가 점차 바다에서 솟아올랐습니다. 40억 년 전 무렵에는 지구 곳곳에 마구잡이로 분포한 큰 섬들이 지구 표면에서 적당한 비율을 차지하고 있었을 것입니다. 하지만 그때 판 지구조운동이 등장했고, 지구 표면 근처의 진화는 기어를 고속으로 전환합니다. 1970년대 중반까지, (지각평형설에 기초한) 수직구조론이라는 예전 정설이 거의 삭제되면서 모든 지질학 교과서가 완전히 다시 쓰여야 했던 이유입니다. 이때 지구는 5억 살입니다.

지구이야기, 로버트 M. 헤이즌, 김미선 옮김, 뿌리와 이파리 간행

광물과 생물의 공진화

변명

  과학책을 읽다 보면 중간에 잠깐 길을 잃을 경우가 많습니다. 제가 과학책을 읽으면서 저자가 한 말을 그대로 옮기는 이유입니다. 많은 내용을 정리하다 보면 축약을 하는 것이 버겁습니다. 읽는 중에도 길을 못 찾아 헤매는데, 딴에 정리를 하려니 그 어려움이 얼마나 크겠습니까? 그래서 정리는 전체 내용을 이해하는 수준에서 저자의 말을 그대로 옮겨오는 정도입니다. 아마도 전문가가 보면 논리의 비약이 심한 경우가 있고, 맥락의 이음이 어색하거나, 엉터리일 경우도 있을 것입니다. 하지만 초보자가 호기심과 흥미를 가지고 정리한 것이라 같은 초보자가 보았을 때는 ‘그런가 보다~’ ‘이거 재미있네’라는 반응을 얻을 것으로 기대합니다. 이 글을 읽는 분들이 있다면요. 그러나 어쨌든 이 글을 쓰는 이유는 제가 제 나름의 이해를 하기 위한 것이라는 것을 아시고 혹시 읽으시더라도 알아두시라는 것을 말씀드리는 것입니다.

빅뱅, 항성, 초신성, 태양의 발화, 지구의 탄생, 달과의 대충돌

  지난 4쪽의 글을 통하여 이제 지구와 달이 45억 년 전 출현했습니다. 항성이 내뱉은 각종 원소들이 우주에 떠 있는 먼지들과 만나 이제 주기율표에 있는 26개 이상의 원소들 이상을 만들었을 것입니다(난 주기율표를 본 기억도 없지만, 그게 무엇을 뜻하는지도 사실 알지 못했고, 관심도 없었습니다. 주기율표에 표시된 번호의 의미도 무엇인지 몰랐죠. 지금도 잘 알지 못합니다. 다만 추측하며 책을 읽었습니다. 우리 세상에 존재하는 분자를 이루는 원소 정도가 아닐까?. 아님 말고요) 이제 이 원소들이 모여 분자를 이루고 이 분자들이 모여 암석을 만드는 과정을 설명하면서 지구에 어떤 광물이 만들어지고, 이 광물이 대기와 대양과 어떤 유기적인 관계를 만들면서, 생명을 만들고 키우는지를 설명합니다. 사람의 성장은 년 단위로 설명하면 됩니다. 지구는 억 단위로 설명합니다. 광물은 어떤 정도의 단위로 설명할까요? 백만 년, 천만 년, 책을 읽으시면서 알아보시도록 권해드립니다.

우주화학과 암석화학, 6대 원소 저마다의 화학 이야기의 시작점

  지구는 긴 역사에서 모습이 돌변하는 사건을 두세 번 이상 겪었다고 합니다. 대충돌이 분명 가장 파괴적이었을 것입니다. 역동적인 우주에서는 우연이 중요한 역할을 하지만 그렇다고 어떤 측면들은 피할 수 없는 결정론적 운명입니다. 예를 들면 막대한 양의 수소와 헬륨이 생산된 데에 따라 어쩔 도리가 없이 항성이 만들어졌습니다. 핵융합반응과 초신성에 의해 다른 모든 원소가 합성되는 것도 그렇습니다. 테이아 이후의 지구가 결국 식어가며 자기조직되는 격동의 시기로 들어간 것도 마찬가지입니다.

  지질학자들은 그 시기가 온통 지옥 같은 조건이었을 게 틀림없다고 인식해, 지구의 첫 5억 년을 명왕이언(Hadean Eon, 冥王累代)이라고 부르기로 했답니다. 지구와 달이 고작 24,000Km 떨어져 서로 암석이 용융된 상태에서 자전과 공전을 하며 밀고 당기는 모습을 상상하시면 아마도 지옥이 이런 곳이라는 것을 이해하실 수 있을 듯합니다. 저는 봤습니다만 아직 책을 읽지 않으신 분은 보시지 못했을 것입니다. 장관입니다. 그러나 거기에는 염라대왕도 없고 하데스도 없고 그냥 화산이 유황을 내뿜고, 이글거리는 용암이 강물처럼 흐르고, 소행성과 혜성들이 끊임없이 폭격해 들쑤시는 장관만이 있습니다. 걱정 마시고 가보시기 바랍니다.

  지구의 초기 진화는 우주화학(원소를 만드는)과 암석화학(암석을 만드는)이라는 두 가지 화학적 현실이 서로 얽힌 결과랍니다. 우주화학이 먼저 와서, 항성이 모든 중(重)원소(무거운 원소라는 말인데 원소는 무게가 다른 모양입니다)를 생산했다고 합니다. 1번 수소와 2번 헬륨(번호는 주기율표 상의 원소번호입니다)이 후의 모든 원소를 만들었고, 산소, 규소, 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 철은 훨씬 중요한 중원소랍니다. 우리 지구와 수성, 금성, 화성이 석질의 행성이기에 각별히 더 그렇습니다. 이 6대 원소가 지구 질량의 98%를 구성합니다. 이 6대 원소가 저마다 독특한 화학 이야기를 들려주며 지구는 모양을 달리합니다.

2. 지구 나이 약 5000만 살이 되기까지, 대충돌-달의 형성-(2)

 다른 설명이 필요했다. 우선 아폴로호를 통해 새로이 얻은 조성 관련 단서들은 다음과 같은 하나의 열쇠를 제공했다. 달은 다소간 지구를 닮았다. 달은 철이나 휘발물질은 너무 적지만, 지구와 산소 동위원소의 조성도 같고 주요 원소도 대부분 같다. 이 조성 데이터를 우리가 수천 년 전부터 알고 있었던 다음의 궤도 관련 단서들과 통합해야 했다. 달도 태양 주위의 다른 행성들과 같은 평면 안에서 같은 방향으로 지구를 돈다. 지구는 신경 쓰이게도 자전축이 23도 기울어 있다. 달의 한쪽 면은 항상 우리와 마주 본다.

  천체 물리학의 규칙 중 하나는 어떤 행성도 같은 궤도를 공유할 수 없다는 것이다. 마침내 두 행성은 충돌할 것이고, 언제나 더 큰 행성이 이긴다. 지구와 테이아도 그랬다. 자주 묘사되는 컴퓨터 모의실험의 판본에서 일어나는 충돌은 확실한 측면 공격이다. 큰 몸집의 테이아가 더 큰 몸집의 지구 옆구리를 강타한다. 우주공간에서 바라보는 사건은 느린 동작으로 펼쳐진다. 접촉하는 순간, 두 세계는 처음엔 부드럽게 입맞춤하는 것처럼 보인다. 그다음 사오 분에 걸쳐, 테이아는 동그랗고 말랑한 반죽 덩어리가 바닥을 때릴 때처럼 지구에는 별다른 영향을 미치지 않고 혼자서 뭉개진다. 10분 뒤, 테이아는 꽤 많이 으스러지고, 지구는 둥근 상태에서 벗어나 변형되기 시작한다. 충돌에 들어간 지 반 시간 뒤, 테이아는 완전히 지워지고, 손상된 지구는 더 이상 대칭적인 구형이 아니다. 격변이 테이아를 괴멸시켰고, 완전히 증발한 테이아는 백열광을 뿜는 수만 도의 거대한 구름이 되어 뜨겁게 지구를 둘러쌓다. 마침내 지구는 테이아였던 것의 대부분을 움켜쥠으로써 더 육중한 행성으로 거듭났다.

  그러나 테이아의 모든 것이 지구에 붙들린 것은 아니다. 파편은 대부분 두 행성의 맨틀이 잘 섞인 혼합물이었다. 식어가는 암석 방울들이 한데 달라붙으면서, 더 큰 덩어리가 더 작은 덩어리들을 쓸어 모았다. 달이 급속히 합체되고 2,3년 만에 현재의 크기에 어느 정도 근접했을 것이다. 행성 형성에 관한 물리학은 달이 형성될 수 있는 자리를 지시한다. 모든 육중한 천체 둘레에는 로슈 한계라는 보이지 않는 영역이 있다. 이 한계 안쪽에서는 중력이 너무 커서 위성이 형성되지 못한다. 지구의 로슈 한계는 자전하는 천체의 중심에서부터 계산하면 1만 8,000킬로미터쯤이고, 표면에서부터는 약 1만  1,000킬로미터다, 따라서 달 형성 모형들은 새로운 위성의 위치를 안전거리인 약 2만 4,000킬로미터 위에 둔다.

  대충돌설은 오컴의 면도날에 제격이다. 달에 철로 된 중심핵이 없는 이유는 테이아의 철이 대부분 지구 안쪽으로 말려들어갔기 때문이다. 달에 휘발물질이 없는 이유는 충돌하는 동안 테이아의 휘발물질이 날아갔기 때문이다. 달의 한쪽 면이 항상 지구를 마주 보는 이유는 지구와 테이아의 각운동량이 짝을 이루어 하나의 회전체가 되었기 때문이다. 대충돌은 이전의 어떤 각본도 제대로 다루지 못한 요인인, 지구의 축이 변칙적으로 23도쯤 기운 이유를 설명하는 데에도 도움을 준다. 테이아 충돌이 지구를 문자 그대로 옆으로 쓰러뜨린 것이다.

  거대한 충격이 달을 형성했다는 깨달음을 바탕으로 우리 태양계에 속한 다른 행성들의 변칙에 관한 추측이 나오기도 했다. 어쩌면 이런저런 종류의 뒤늦은 대충돌 사건은 흔할지도, 심지어 꼭 필요할지도 모른다. 어쩌면 금성이 틀린 방향으로 자전하고 물을 그토록 많이 잃어버린 이유도 대충돌로 설명될지 모른다. 아마 천왕성도 뒤늦은 거대한 충돌 때문에 누워서 돌게 되었을 터이다. 변칙은 그냥 쓱쓱 털어내면 되는 성가신 세부사항이 아니다. 변칙이야말로 실제로 무슨 일이 일어났는지, 만물이 실제로 어떻게 작동하는지 이해하는 데에 꼭 필요한 본질이다.

  달이 만들어진 당시의 하늘은 지금과 달랐다. 2만 4,000킬로미터 거리에 있는 지름 3,475킬로미터짜리 달은 거인 같은 모습이었을 것이다. 오늘날 달이 가리는 창공의 250배가 넘는 넒이의 하늘을 가로막고 있었다. 2만 4,000킬로미터 거리의 젊은 달은 지구의 암석에 대해 엄청난 조석력을 발휘했고, 바로 그 순간 지구는 대부분 용융된 상태의 달에게 동등한 크기로 반대 방향의 중력을 발휘했다. 이 웅장한 조석의 훼방이, 달이 지구에서 계속 멀어지는 핵심적 이유다. 겨우 2만 4,000킬로미터 밖에 잇던 폭 3,475킬로미터 크기의 천체가 어떻게 38만 5,000킬로미터까지 떠내려 갔을까? 그 답은 각운동량 보존법칙에서 찾을 수 있다. 지구의 조석 팽창이 달을 당기는 것과 동시에, 조석에 의해 찌그러진 달이 동등한 중력을 가지고 지구를 반대 방향으로 도로 잡아당기므로, 지구는 자전을 할 때마다 속도가 느려졌다. 바로 이 대목에서 각운동량 보전이 들어온다.

  오늘날 지구-달 계의 거의 모든 각운동량은 지구로부터 38만 5,000킬로미터 거리에서 29일 주기로 공전하는 달과 관련되어 있는 것과 비교하면 45억 년 전 사정은 전혀 달랐다. 45억 년에 걸쳐 지구의 자전은 5시간마다 한 번에서 24시간마다 한 번으로 느려져온 반면, 달은 더 멀어졌고 그 과정에서 많은 각운동량을 얻었다.

  아폴로 우주비행사들은 달 표면에 반짝이는 거울을 남겼다. 지구에서 쏜 레이저 광선이 그 거울에 맞고 튀어나와 가르쳐주는 지구와 달 사이의 거리 측정치는 단 1밀리미터도 틀리지 않는다. 1970년대 초부터 해마다, 달은 일 년에 평균 3.82센티미터씩 멀어져갔다. 듣기에는 별 것 아니지만 시간 범위를 넓혀 합산하면, 현재의 속도로 4,000년마다 1마일씩 멀어지는 셈이다. 거꾸로 재생한 테이프가 가리키는 45억 년 전의 상황은 지금과 아주 많이 다르다.

  달(테이아)이 달려들어 지구의 옆구리를 때리는 광경은 장관이었다. 충돌의 힘과 그로 인한 백열광은 눈을 뜨지 못하게 하였다. 젊은 달이 지구의 창공에서 태양보다 16배 더 크게 보이고, 지금보다 250배가 큰 달이 하늘을 가득 메웠다. 그토록 큰 달이 하늘을 가로막고 그렇게 빨리 공전하니, 84시간마다 개기일식이 일어나고, 거의 42시간마다 개기월식도 시계처럼 규칙적으로 일어났다. 실컷 일식, 월식을 봤다. 조석현상은 녹아있던 지구의 암석표면을 몇 시간마다 1킬로미터 이상 달 쪽으로 불룩해질 정도로 당겼다. 마그마의 밀물이 1킬로미터라니 상상이나 한 적이 있었던가. 시간 여행은 계속된다.

2. 지구 나이 약 5000만 살이 되기까지, 대충돌-달의 형성-

  지구의 기원에 관한 이야기는 깔끔한 것 같지만, 딱 한 가지 세부 사항이 거슬린다. 달이다. 달은 무시하자니 너무 크고, 지난 두 세기 내내 입증되었듯 설명하기는 대단히 어렵다. 작은 위성들은 쉽게 이해할 수 있다. 화성을 도는 울퉁불퉁한 도시 크기의 암석인 포보스와 데이모스는 생포된 소행성으로 보인다. 이들보다 훨씬 더 큰, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 도는 수십 개의 위성도 모행성에 비하면 질량이 1,000분의 1에도 못 미치는 꼬맹이들이다. 가장 큰 위성들은 모행성을 형성하고 남은 주인 없는 먼지와 가스 찌꺼기로 형성되어, 마치 축소된 태양계 안의 행성처럼 거대 가스행성 주위를 돈다. 반면에, 지구의 달은 모행성에 견주어 상대적으로 큰 편이다. 지름이 지구의 4분의 1이 넘고 질량도 80분의 1쯤 된다. 이러한 변칙성은 어디에서 왔을까 

1969년 전, ‘육중한 달 사건’에서 가장 유력한 용의자는 셋이었다.

가. 1878년 조지 하워드 다윈이 제안한 분열이론이다.

용융된 원시 지구가 너무 빠르게 자전한 나머지 길게 늘어나다가 마 침내 마그마 덩어리를 표면에서 궤도 안으로 내동댕이친다. 이 가설에서, 달은 자유롭게 풀려난 지구의 싹이다. 이 극적인 이야기의 상상 력 넘치는 한 변형에서는 태평양 해분이 숨길 수 없는 흔적으로-곧 어머니 지구가 입은 출산의 상처로-남아 있다.

나. 분열이론과 대립되는 포획이론

달이 신생 태양계 안에서 더 작은 미행성체로 지구와 거의 같은 지역에 위치하다가, 두 천체가 서로 충분히 가깝게 지나치던 어느 시점에, 더 큰 지구가 자신보다 작은 달을 붙잡아 고리를 걸어 궤도 안으로 홱 끌어들였고, 그 궤도가 점차 정착되었다는 것이다. 화성의 경우를 지구에도 적용해 보면 안 될까 

다. 동시응축이론

달이 현재의 자리와 다소 가까운 곳에서 지구 궤도 근처에 남아 있던 큰 파편 구름에서 만들어졌다고 가정했다.

경쟁하는 세 가설은 1968년 아풀로호가 채집한 월석에서 데이터가 나오고서야 답이 나왔다,

 아폴로호가 가져온 시료(대부분은 달의 표토였다)를 X선 작업과 광학적 작업, 마지막으로 전자미세탐침이라는 환상적인 분석기계를 써서 표본의 정확한 원소비를 결정했다. 거기에서 확인한 사실들은 앞의 여러 이론에 심각한 제약 조건을 부과했다.

가. 달 표면을 구성하는 광물들은 주요 원소 면에서 보면 지구 표면의 광물과 비슷하지만, 세부적으로 약간 다르다. 달 광물에는 티탄이 더 많고, 크롬도 지구의 것과 다르다.

나. 달에는 고밀도 철로 이루어진 금속성 중심핵이 없어서 지구에 비 해 밀도가 훨씬 더 낫다.

다. 월석에는 휘발성이 가장 높은-주변이 따뜻해지는 순간 증발하는 경향이 있는-원소들이 거의 털끝만큼도 들어 있지 않다. 달은 액체 상태의 물로 덮여 있고 토양에 진흙이나 운모처럼 물이 풍부한 광물 이 잔뜩 들어 있는 지구와는 다르다는 뜻이다. 뭔가가 달을 폭파시키거나 구워버려서 그러한 휘발물질들을 없애버린 것이 틀림없다. 달의 표면은 지금 사정없이 메마른 곳이기 때문이다.

라. 산소 동위원소(산소-16 대 산소-18)의 비는 행성에 따라 다르고, 형성 당시 태양에서 행성까지의 거리에 따라 매우 민감하게 변화하는 데, 월석의 산소 동위원소비가 지구의 것과 사실상 동일했다. 다시 말해, 지구와 달은 태양에서부터 대략 같은 거리에서 형성되었음이 틀림없다.

 동시응축이론은 출발부터 문제가 있었다. 달이 지구의 찌꺼기에서 형성되었다면, 평균 조성도 비슷해야 한다. 달과 지구가 산소 동위원소 분포 면에서 일치하는 건 사실이지만, 동시응축이론은 철과 휘발물질 비율의 큰 차이를 설명할 수 없다. 지구와 같은 내용물로 형성되었다고 하기에는, 달의 전체적 조성이 지구와 너무 다르다.

  조성의 불일치는 포획이론에도 극복할 수 없는 문제를 부과했다. 행성운동이 이론적 모형이 시사하는 대로라면 포획된 미행성체는 태양에서 지구까지와 거의 같은 거리에 있던 태양계 성운 안에서 형성되었어야 하므로 평균 조성도 거의 같아야 한다. 달은 그렇지 않다. 물론 달 크기 천체가 태양계 성운의 어딘가 다른 구역에서 형성된 다음 지구를 가로지르는 궤도를 택했을지도 모르지만, 궤도동역학 컴퓨터 모형에 따르면 그러한 달은 지구보다 상대속도가 높아야 하므로 그러한 포획 각본 자체가 거의 불가능해진다.

  그러면 남는 것은 조지 하워드 다윈의 분열이론이다. 이 이론은 지구와 달의 산소 동위원소 조성의 유사함과 철의 차이를 성공적으로 설명할 수 있다. 달의 한쪽 면이 언제나 지구를 향한다는 사실도 멋지게 수용한다. 지구의 자전과 달의 공전이 지구의 축을 중심으로 같은 회전운동을 하니까, 다시 말해 같은 회전감각을 가졌으니까 그런 것이다. 하지만 큰 문제가 남는다. 지금 달에는 없는, 빠진 휘발물질들은 어디로 갔을까? 물리학의 법칙들도 분열이론을 가로막는다. 간단히 말해서, 분열은 작동할 수 없다. 용용된 암석이 큰 방울을 만들어 궤도 안으로 튕겨나가도록 내버려두기에는 지구 중력이 너무 강하다. 실은 용융된 지구가 달 크기 덩어리를 내동댕이치려면 믿을 수 없는 속도-한 시간에 한 번쯤은-자전해야 한다. 지구-달 계는 결코 그런 일이 일어날 만큼의 각운동량을 가지고 있지 않다.

1. 지구 형성 이전 수십억 년으로 가다(2)

 우주 공간에서 성운은 수백만 년 동안 지속되다가 마침내 어떤 계기로, 예컨대 폭발하는 인근 항성의 충격파를 받아 붕괴되기 시작해 새로운 항성계로 바뀌어갈 수 있다. 45억 년 전, 그러한 어떤 계기가 우리 태양계를 만들었다. 100만 년에 걸쳐, 태양계 이전의 가스와 먼지 덩어리가 지극히 천천히 소용돌이치며 안쪽으로 끌려 들어왔다. 붕괴와 회전 속도가 빨라진 구름은 더 짙어지고 납작해지면서, 가운데가 점점 더 불룩해지는 원반 모양이 되었다. 발생기의 태양이 된 것이다. 중심에 수소를 잔뜩 지닌 욕심꾸러기 공은 점점 더 커지다가, 마침내 전체 구름 질량의 99.9퍼센트를 집어삼켰다. 공이 자라나자 내부 압력과 온도가 용융점까지 올라갔고, 태양에 불이 붙었다.

  다음에 일어난 일에 대한 단서들은 우리 태양계의 기록 안에-태양계의 행성과 위성, 혜성과 소행성, 풍부하고 다양한 운석 안에-보존되어 있다. 두드러진 특징 한 가지는 모든 행성과 위성이 태양을 중심으로 같은 평면상에서 같은 방향으로 공전한다는 점이다. 뿐만 아니라, 그와 거의 같은 평면과 방향에서 태양과 행성들 대부분이 자전하기도 한다(태양계에서는 금성과 천왕성 만 다른 행성들과 반대 방향으로 자전한다) 어떤 운동법칙도 이러한 회전의 공통성을 요구하지 않는다. 우리 태양계에서 관찰되는 궤도가 균일하다는 사실은 행성과 위성 모두가 펑퍼짐하게 돌고 있던 같은 원반의 먼지와 가스에서 거의 같은 시간에 생성되었음을 시사한다.

  태양계의 기원에 대한 두 번째 단서는 8대 행성의 독특한 분포에서 찾을 수 있다. 태양계 가까운 네 개의 내행성-수성, 금성, 지구, 화성-은 대부분 규소, 산소, 마그네슘, 철로 이루어진 비교적 작은 석질 세계다. 반대로 네 개의 외행성-목성, 토성, 천왕성, 해왕성-은 주로 수소와 헬륨으로 이루어진 거대한 가스행성이다. 이들은 고체 표면이 없고, 깊이 들어갈수록 짙어지는 대기로만 구성되어 있다. 세계가 이렇듯 양분된다는 사실은 태양계 역사 초기, 즉 태양이 태어난 지 수천 년 이내에 강력한 태양풍이, 남아 있던 수소와 헬륨을 더 차가운 영역까지 멀리 날려 보냈음을 시사한다. 이글거리는 태양에서 충분히 멀어진 이 휘발성 기체가 냉각되고, 응축되고, 모여서 나름의 천체가 될 수 있었다. 반대로, 뜨거운 중심 항성 가까이에 남아 있던 더 굵고 광물이 풍부한 먼지 입자들은 재빨리 한데 뭉쳐서 석질의 내행성을 형성했다.

  우리는 빅뱅의 시기를 어떻게 짐작할까? 천체물리학자들이 멀리서 움직이는 은하를 관찰해 얻은 측정치는 우주가 45억 년보다 훨씬 더 오래되었음을 가리킨다. 모든 은하가 우리에게서 빠르게 멀어지고 있다. 도플러 편이(이른바 적색 편이) 데이터는 은하가 멀면 멀수록 더욱더 빨리 물러나고 있음을 나타낸다. 그 우주적 녹화테이프를 거꾸로 재생하면, 모든 것이 약 137억 년 전의 한 점으로 수렴한다. 그것이 빅뱅이다. 가장 멀리 있는 이 천체들의 일부에서 오는 빛은 130억 년 넘게 우주공간을 가르며 여행하고 있다.

  45억 년 전 지구의 탄생은 우주 역사 내내 헤아릴 수 없을 만큼 무수히 반복되어온 한 편의 드라마였다. 모든 항성과 행성은 진공에 가까운 희박한 우주 공간의 가스와 먼지에서 생겨난다. 물질을 이루는 각각의 입자는 너무 작아서 우리가 일일이 맨눈으로 볼 수 없지만, 은하 건너편에서 항성을 형성하고 있는 어마어마한 구름들은 총량이 워낙 막대해서 관찰할 수 있다. 수십억 년 전, 중력이 태양계의 산파 역할을 했다. 태양은 한 배에서 난 꼬마 행성들 속에서 고독한 거인으로 출현했다. 핵반응이 태양의 표면에 불을 질러 이웃 행성들을 빛과 온기로 가득 채웠다. 그렇게 우리 고향은 살아 있는 세계가 되는 방향으로 머뭇머뭇 첫 발을 내디뎠다.

  흑암, 빛, 성운, 태양이 점화하는 순간, 지구가 버무려지는 순간을 보는 것은 황홀한 순간이었다. 누가 이 광경을 보았을까. 창조주의 징후는 여기에 있었다.